Передовые углеродноволокнистые сосуды под давлением: оптимизация хранения водорода для устойчивого будущего

Водород как CO₂-свободная альтернатива ископаемому топливу на горизонте уже десятилетия, и рост углеродноволокнисто-пластиковых (CFRP) сосудов под давлением для хранения водорода определенно на подъеме. Но в 2020 году водород стал мандатом, идентифицированным Европейской комиссией (ЕК) как ключевой приоритет для достижения Европейской Зеленой сделки устойчивой экономики и климатически-нейтрального ЕС к 2050 году. Ключевые события для водорода в авиации включают:

• Май 2020 — Clean Sky 2 и The Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) опубликовали «Hydrogen-powered aviation», детализируя, как короткорейсовые (85-165 пассажиров) водородные самолеты могут достичь ввода в эксплуатацию (EIS) к 2030-2035 годам.
• Июнь 2020 — $17 млрд пандемийная программа помощи Франции привязана к целям отчета «Hydrogen-powered aviation»; Air France говорит, что сократит выбросы CO₂ вдвое для внутренних рейсов к 2024 году.
• Июль 2020 — ЕК публикует «A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe», призывая к инвестициям €65 млрд для водородного транспорта, распределения, хранения и заправочных станций, перечисляя поддерживающие политики и механизмы финансирования, включая Clean Hydrogen Partnership и ETS Innovation Fund (€10 млрд в 2020-2030).
• Июль 2020 — CEO Airbus Гийом Фори в интервью редактору Aviation Week Грэму Уорвику обязуется к первому декарбонизированному самолету EIS к 2035 году; прогнозирует запуск программы к 2027-28 и зрелость необходимых технологий к 2025 году.
• Июль 2020 — ZeroAvia (Холистер, Калифорния, США) завершает тестовый полет одномоторного шестиместного Piper, модифицированного для сжатого водорода (H₂), и раскрывает US-based тестовые полеты для похоже модифицированного двухтурбовинтового 19-местного Dornier Do 228 по дорожной карте к сертификации 20-местного H₂-самолета с дальностью 500 миль к 2023 году.
• Август 2020 — Universal Hydrogen (Лос-Анджелес, Калифорния, США) анонсирует двойные танковые модули для 50-местного самолета (см. фото), плюс логистику заправки и инфраструктуру для региональных авиалиний/операторов к коммерциализации к 2024 году.

Жизнеспособность водорода как топливного источника — независимо от отрасли — зависит от быстрой разработки множества транспортировочных, доставки и хранения технологий, которые молоды, но быстро эволюционируют. Коммерциализация этих технологий не будет простой, но они адресуются. Ниже резюме части работы.

Universal Hydrogen

Ко-основанная в 2020 году Полом Ерemenко, бывшим CTO Airbus SE (Лейден, Нидерланды) и United Technologies Corp. (Фармингтон, Коннектикут, США), цель Universal Hydrogen — помочь переходу к водородной авиации, предоставляя водородную топливную инфраструктуру. Один ключевой компонент — её топливный модуль, состоящий из двух H₂ баков в карбонноволокнисто-полимерном (CFRP) каркасе. «Мы будем поставлять модули на объект по необходимости, поэтому нет нужды в инфраструктуре хранения водорода», — объясняет CTO Universal Hydrogen Дж.П. Кларик. «Модули просто загружаются в самолет как батарея или галлейные припасы».

Фото: Universal Hydrogen

Модули разработаны сначала для 50-местных Dash 8 и ATR турбовинтовых региональных самолетов. Модули будут иметь баки длиной 7 футов и диаметром 3 фута, используя либо углеродное волокно для удержания H₂ газа при 850 бар, достигая плотности 50 кг/м³, либо изолированные металлические баки для жидкого H₂ (LH₂) при стандартном давлении и температуре, достигая 71 кг/м³ плотности. Хотя баки LH₂ предлагают более высокую объемную эффективность, изолированные но неохлаждаемые баки должны использоваться в течение 42 часов, потому что LH₂ испаряется, если не держать при -253°C. «Оба типа баков будут находиться в легком, структурно-оптимизированном композитном каркасе, который также обеспечивает ударную стойкость и некоторые несущие способности», — говорит Кларик.

Баки H₂ газа будут включать непроницаемый полимерный лайнер, обмотанный слоями сухого карбонного плетения и защитным внешним слоем из арамидного волокна Кевлар. «Нет нужды в смоле», — объясняет Кларик. «Лайнер решает проницаемость, углерод берет на себя обхватывающие и осевые нагрузки, внешний слой плюс каркас предотвращают повреждения; таким образом вес и толщина снижены. Эта интегрированная танковая и каркасная конструкция, в сочетании с отображением функций на каждый слой бака, позволила нам получить значительные улучшения в массовой доле».

Массовая доля рассчитывается делением массы хранящегося водорода на массу всего модуля, поэтому чем больше массовая доля, тем лучше. «Мы провели очень обширный трейд-стади, глядя на массовую долю и объемную эффективность в контексте Dash 8 и ATR», — отмечает Кларик. «Так что вы смотрите на объем и вес топлива против того, что помещается в эти самолеты, достижимую дальность и максимальный взлетный вес, распределение веса и т.д. С H₂ газом при 850 бар мы можем летать около 400 морских миль с 45-минутным резервом и около 550 морских миль с баками LH₂. Однако средняя длина этапа для турбовинтовой миссии около 300 морских миль, так что подавляющее большинство этих полетов можно сделать с газообразной H₂ системой с CFRP баками».

Будет ли Universal Hydrogen партнерствовать с производителем композитных баков? «Наша стратегия — партнерствовать там, где это имеет смысл, и придерживаться нашего основного бизнеса», — говорит Кларик. Он повторяет фокус Universal Hydrogen: «Мы хотим быть провайдером топлива и инфраструктуры. Мы предоставим модули и доставим их туда, где они нужны, чтобы наши партнеры могли фокусироваться на остальном дизайне и операции самолета. Наша цель — быть эйблером водородной авиации».

SpaceTech4Sea

Как авиация, судоходство также попадает под регуляции, направленные на сокращение CO₂ и других парниковых газов (GHG). С января 2018 года корабли более 5000 валовой тонны, загружающие или разгружающие груз или пассажиров в портах ЕЭЗ, должны мониторить и отчитываться о выбросах CO₂. Еще дальше, как часть своей MARPOL конвенции по сокращению загрязнения от кораблей, Международная морская организация (IMO) смэндатировала с января 2020 года, что сера в масле должна быть снижена с 3,50% м/м (масса на массу) до 0,50%. IMO также обязалась к начальной GHG стратегии преследования 50% снижения к 2050 году по сравнению с уровнями 2008 года.

«Лучшая возможность быть в соответствии — изначально сдвинуться на сжиженный природный газ (LNG)», — говорит д-р Панайотис Захариудакис, управляющий директор Ocean Finance (Афины, Греция), консультационная фирма, продвигающая морскую устойчивость и координатор проектов ЕК SuperGreen и SpaceTech4Sea. SuperGreen создаст устойчивую и зеленую транспортную систему в Греции, состоящую из электрических пассажирских судов и двух гибридных LNG/электрических камаранов, соединяющих порт Пирей с другими портами в восточно-средиземноморской сети. «Для этого проекта мы строим высокоскоростной паром из CFRP», — объясняет Захариудакис. «Если бы мы использовали современный металлический LNG бак, он весил бы семь метрических тонн, что эквивалентно чуть более 70 пассажирам [100 кг на человека с багажом]. Так что нам пришлось бы уменьшить пассажировместимость на 70».

Фото: Ocean Finance

Почему лишний вес? «По сравнению с дизелем, LNG должен храниться при криогенном -163°C, и металлические баки должны использовать материалы, строительство, изоляцию и операционные системы, соответствующие требованиям IMO для газообразного топлива, или IGF код», — говорит Захариудакис. Для Ocean Finance лишний вес был неприемлем, поэтому они начали исследовать возможные решения и нашли отчет о криобаках Cimarron Composites (Хантсвилл, Алабама, США), разработанных с NASA.

«Именно тогда мы начали проект EASME (Европейское агентство для МСП) SpaceTech4Sea», — говорит Захариудакис. «Идея — модифицировать аэрокосмические технологии для морских применений». Третий партнер проекта — классификационное общество American Bureau of Shipping (ABS, Хьюстон, Техас, США), которое будет валидировать и квалифицировать технологию. В сентябре 2019 года ABS предоставило одобрение в принципе (AIP) для концептуального дизайна Cimarron ультралегкого крио-способного композитного LNG бака. С тех пор построили и протестировали суб- и полноразмерные баки для сертификации. «Они только что закончили последнее тестирование», — говорит Захариудакис. «Через чуть более двух месяцев у нас будет полная сертификация композитных LNG баков для морского рынка. Этот бак обеспечит экономию веса более 85% против обычного металлического бака».

Хотя большинство специфик бака проприетарны, основатель и президент Cimarron Composites Том ДеЛей говорит, что он сделан из углеродного волокна и передовым термореактивным составом с использованием некоторой инфузии смолы и мокрой филаментной намотки. «Мы тестировали баки диаметром 25 и 40 дюймов и говорим с CFRP паромостроителем для SuperGreen о баках вместимостью пять кубических метров [5000 литров], что можно достичь с баком 2 метра диаметром и 2,5 метра длины». Ocean Finance видит рынок более чем для тысячи таких баков и будет работать с Cimarron для установки автоматизированного производства, возможно в Греции.

А как насчет водорода? «Даже пока мы завершаем эти LNG проекты, мы начали смотреть на водород», — отмечает Захариудакис. «Есть такой интерес, активность и теперь финансирование в Европе. Одна проблема, однако, морские регуляции специфицируют, что баки должны обеспечивать время удержания до 15 дней для LNG. Это будет то же для LH₂». ДеЛей признает, что разработка крио-способного бака для LH₂ (-253°C, см. выше) намного сложнее, чем для LNG (-196°C); среди вызовов — найти материалы, устойчивые к ломкости и трещинам. Он сейчас работает с Ocean Finance для завершения трейд-стади, глядя на технические и экономические факторы использования жидкого против газообразного H₂ для морских судов.

Баки Neptune для H₂ газа

Особенно, Cimarron Composites уже разработала Тип IV CFRP бак для высоконапорного хранения водорода и других газов. «Наш оригинальный бак Jupiter разрабатывался для транспорта большинства промышленных газов, включая водород, при давлении 4350 psi [300 бар]», — говорит ДеЛей. «Водород, однако, транспортируется эффективнее при более высоких давлениях, поэтому мы разработали бак Neptune 7500 psi [517 бар]».

Фото: Cimarron Composites

Оба бака Jupiter и Neptune прошли множество тестов по требованиям UN ISO 11515 и доступны в диапазоне диаметров и длин до 26 футов. «Эти баки разрабатывались для отгрузки в стандартных модулях грузовиком, ж/д или кораблем», — отмечает ДеЛей. «Мы нашли, что диаметр 30 дюймов имеет идеальную упаковочную эффективность, позволяя везти больше водорода, чем с баками большего диаметра. С длиной 19 футов мы можем поместить девять баков в стандартный 20-футовый контейнер. При 67 кг водородного газа на бак, можем перевезти 600 кг в 20-футовом контейнере и 1200 кг в стандартном 40-футовом контейнере».

«Мы покупаем углеродное волокно у всех основных поставщиков, включая Toray [Токио, Япония], Mitsubishi Rayon [Токио], Teijin [Роквуд, Теннесси, США] и Hyosung [Сеул, Южная Корея]», — добавляет ДеЛей, «но для Neptune мы квалифицировали три разных поставщика одновременно. Мы формулируем смолу сами, используя коммерчески доступные продукты и очень тщательно контролируем волокнистый и смольный контент, а также натяжение при филаментной намотке и печный цикл отверждения для предотвращения термического стресса. Всё это добавляет к механической производительности баков».

Независимо от того, нужна ли криогенная жидкостная хранение или высоконапорное газовое хранение, ДеЛей видит растущие возможности. «Нам понадобились годы для развития нашей экспертизы», — говорит он, «начиная от топливных баков для ракет до крупных баков хранения и транспорта, которые мы сейчас разрабатываем и производим. Год назад я был скептичен насчет водорода, думая, что единственная причина — толчок от правительства. Но теперь мы получаем очень крупные заказы и всевозможные запросы. Видим, что глобально широкий спектр отраслей серьезно инвестирует в водород, и правительства поддерживают это развитие. Выглядит так, что мы готовы с правильными продуктами в правильное время».